Wird der steigende Kühlbedarf im Gebäudebereich zum nächsten Energieproblem? Varianten für eine effiziente Kälteversorgung sind heute schon verfügbar. Sie zeichnen sich aus durch eine natürliche Kältequelle und vor allem durch ein besonderes Abgabesystem.

Text: Paul Knüsel, Red. Bearbeitung: Phase5

Bestehende Gebäude haben einiges nachzuholen: Weil sie im Durchschnitt mehr Energie verbrauchen als Neubauten, ist das Dämmen der Gebäudehülle an jedem Sanierungsobjekt eigentlich Pflicht. Doch was ist zu tun, damit ältere Häuser auch hitzeresistenter werden? Bisher behelfen sich Gebäudenutzer oft mit einem spontanen Gang zum Elektrofachhandel: Nähern sich die Temperaturen im Sommer der +30 °C-Grenze an, steigt der Absatz von Klimageräten jeweils unmittelbar. Um Wohnungen und Büroräume vor den zunehmenden Hitzetagen zu schützen, wuchs der Verkauf von kompakten Kühlgeräten in den letzten 20 Jahren um 60 % an.

Was ist ein zukunftstaugliche Kühlvariante?

Immer häufiger wird allerdings angezweifelt, ob Klimageräte oder Kältemaschinen selbst zukunftstauglich sind. Die Hochschule Luzern warnt etwa vor den Folgen solcher Kühlanlagen. Denn beim Rückkühlen heizen sie die Aussenluft unmittelbar auf, was das Stadtklima zusätzlich beeinträchtigen kann (siehe Kasten). Ebenso befürchten Fachkreise einen starken Anstieg des Stromverbrauchs. Gibt es aber andere Kühlvarianten, die ein gutes Sommerklima in Bestands- oder Neubauten garantieren und selbst sparsam funktionieren?

Kühlen im erneuerten Wohnhaus

Einen innovativen Ansatz verfolgt die Firma Plan K mit einem System, das letztes Jahr den «Building Award 2025» erhielt. Beim ausgezeichneten Projekt handelt es sich um eine Erneuerung der Energieversorgung, mit der ein bestehendes Gebäude überdurchschnittlich effizient beheizt werden kann; ein Kühlen mit minimalem energetischem Zusatzaufwand wird ebenso ermöglicht. Besonders daran ist: Es handelt sich um einen achtgeschossigen Wohnblock, der vor knapp 60 Jahren in einem östlichen Aussenquartier von Bern erstellt und vor kurzem umfassend saniert wurde.

Die energetische Qualität des Mehrfamilienhauses war mangelhaft: Es wurde mit Öl beheizt, und sein Heizwärmebedarf lag bei rund 100 kWh/m2. Neu werden zum Heizen nicht einmal 30 kWh/m2 benötigt, weil u.a. die Gebäudehülle besser gedämmt ist. Zur Verbesserung der Energiekennwerte trägt aber auch der Ersatz der fossilen Heizungsanlage bei: Eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde nutzt das Erdreich im Winter als natürliche Wärmequelle für ein CO2-freies Heizen. Im Sommer steht der Untergrund dagegen als Wärmesenke zur Verfügung. Dadurch können die rund 40 Wohnungen nach Bedarf gekühlt werden.

Passiver Kühlmodus

Das Berner Mehrfamilienhaus wird durch das bewährte Geocooling-Prinzip saisonal gekühlt: «Energie für die Kälteerzeugung stellt das Erdreich bereit», erklärt Beat Wellig, Geschäftsleiter von Plan K. An diese natürliche Quelle ist ein Kühlkreislauf angekoppelt, der thermische Energie aus dem Wohnraum aufnimmt und via Erdwärmesonde an das Erdreich abgibt. Weil zur Zirkulation nur eine Umwälzpumpe erforderlich ist, benötigt der Kühlmodus selbst wenig Energie.

Der Transfer von Wärme aus dem Gebäude ins Erdreich stabilisiert das Raumklima jeweils im gewünschten Temperaturbereich und erwärmt den Untergrund rund um die Erdwärmesonde. Letzteres ist sogar erwünscht, weil sich die natürliche Energiequelle über die Sommermonate dadurch thermisch regeneriert.

 

Konvektive Kälteabgabe

Für die Energieeffizienz der Gebäudekühlung ist ebenso relevant, wie dem Raum Wärme entzogen wird. «Unser System funktioniert konvektiv; die Kühlenergie wird über die Luft übertragen», ergänzt Wellig. Das Abgabesystem ist physikalisch derart optimiert, dass sich die Kühlenergie im Raum schnell ausbreitet, ohne den Wohnkomfort zu beeinträchtigen. Weder ist ein Luftzug spürbar, noch tritt ein störender Temperatursprung auf.

Bewerkstelligt wird die sanfte Kühlung durch Konvektoren in der Fensterbrüstung, die im Winter zur Wärmeverteilung auf Niedertemperaturniveau dienen. Das konvektive, durch kleine Ventilatoren unterstützte Abgabesystem ermöglicht auch im Sommer moderate Vorlauftemperaturen: Die Räume werden mit Kühlwasser versorgt, das jeweils zwischen 20 und 22 °C kühl ist und nur wenig unter der Raumtemperatur liegt. Der Bedarf an Kühlleistung ist deshalb niedriger als bei konventionellen Abgabesystemen wie zum Beispiel eine Bodenheizung.

Positive Erkenntnisse

Neben der Technik wirkt auch das Gebäude physikalisch mit. Tagsüber wird die Gebäudemasse zum Wärmespeicher: Sie nimmt selbst Wärme aus der Raumluft auf, so dass die Raumtemperatur nur unwesentlich ansteigt. Ausgleichend wirkt der Energiefluss zwischen Masse und Raumluft auch in entgegengesetzter Richtung, um einen starken Abfall der Innentemperatur zu verhindern. Insofern sind Baumasse und Konvektorkühlung derart optimiert aufeinander abgestimmt, dass jederzeit behagliche Bedingungen sichergestellt werden.  

Plan K hat bereits viele Gebäude mit diesem System ausgerüstet. Die Monitoringdaten zeigen: Der Klimakomfort wird wie erwünscht bereitgestellt: «Die Temperaturen verbleiben im Behaglichkeitsspektrum zwischen 22 °C und 26,5 °C», bestätigt Geschäftsleiter Wellig. Und auch die Anforderungen an eine hohe Energieeffizienz sind erfüllt. Um dem Gebäude 30 bis 50 kWh thermische Energie im Sommer zu entziehen, benötigen die Umwälzpumpe und die Konvektoren jeweils nur 1 kWh Strom.

Ein positiver Zusatzeffekt: Die Gebäudekühlung hilft mit, das Wohnhaus im Winter sparsam zu beheizen. Die thermische Regeneration des Erdreichs im Sommer verhindert ein langfristiges Auskühlen dieser Energiequelle. Davon profitiert die Wärmepumpe, weil sie ihre Arbeit in der Heizsaison mit überdurchschnittlich hohem Wirkungsgrad leisten kann. Ein Gebäude mit dem selbem Energiesystem zu kühlen und zu beheizen, scheint sich zu lohnen. «Die Zusatzinvestitionen für das Kühlen sind marginal», bestätigt Beat Wellig.

Dezentrale Konvektoren

Auch die Stadt Zürich setzt sich damit auseinander, ihre Immobilien besser vor Überhitzung zu schützen, und prüft ihrerseits Kühlsysteme für das bestehende Portfolio. Das städtische Mikroklima kann im Sommer derart aufgeheizt werden, dass Schulhäuser, Alterszentren oder Verwaltungsgebäude nur noch selten mit Nachtluft ausgekühlt werden können. Eine wirkungsvollere Gebäudekühlung wird an vielen Standorten unverzichtbar. Deshalb liess die Fachstelle für Gebäudetechnik des Amts für Hochbauten von der Hochschule Luzern verschiedene Varianten hinsichtlich Funktion, Energieeffizienz und Kosten evaluieren. Im Bericht «Raumklima Sommer – Massnahmen Aktiv» wird eine Bandbreite an technischen Massnahmen aufgeführt, wie ein Gebäude möglichst ohne Kältemaschine oder Kühlgerät im Sommer temperiert werden kann.

Das Geocooling-Verfahren wird für Wohnbauten und Geschäftshäuser häufig als tauglich erachtet. Obwohl deren Kühlbedarf zwischen gering und hoch pendelt, eignen sich dafür natürliche Wärmesenken wie das Erdreich oder das Grundwasser. Was das Nachrüsten von bestehenden Gebäuden allerdings erschwert: Die Wärme wird über eine Bodenheizung entzogen, wobei dieser Vorgang via Abstrahlung erfolgt. Dazu wird mehr Kühlleistung benötigt als bei einem konvektiven Abgabesystem. Zudem sind die Komfortansprüche nicht beliebig erfüllbar. Mit Geocooling lassen sich die Raumtemperaturen in der Regel nur um 2 bis 3 °C reduzieren.

Gebäude mit grösseren internen Wärmelasten und höherem Kühlbedarf rüstet die Stadt deshalb zusätzlich mit dezentralen Kühlkonvektoren aus. Deren Funktionsweise ist identisch mit dem in Bern installierten Abgabesystem. Dadurch soll sichergestellt werden, dass einzelne Räume bei Bedarf energieeffizienter und wirksamer gekühlt werden können.

Weniger effiziente Alternativen

Eine Schwierigkeit für das Nachrüsten bestehender Gebäude ist: Radiatoren eignen sich für den Wärmeentzug im Freecooling-System nicht. Hier stattdessen ein grossflächiges Kälteabgabesystem zu installieren, ist jedoch aufwändig und selten opportun.

Bei neuen Gebäuden – vor allem Geschäftshäuser und vereinzelte Wohnbauten – wird dagegen oft ein thermoaktives Bauteilsystem (TABS) berücksichtigt, um die Wärme aus Wohn- und Arbeitsräumen zu entziehen. Dabei handelt es sich um Rohrleitungen, die fest in eine Geschossdecke einbetoniert sind und dadurch die Gebäudemasse zu einem Kühlspeicher umfunktionieren. Die Kälteabgabe erfolgt hier über Strahlungsenergie, weshalb der Bedarf an Kühlleistung wesentlich höher ist als beim Einsatz von Konvektoren.